Inibidor de turbulência para distribuidores de aço em instalações de lingotamento contínuo

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0800035-2 A2
  • Data do depósito:
  • 18/01/2008
  • Data da publicação:
  • 01/09/2009
Inventores:
  • Classificação:
  • B22D 11/10
    Lingotamento cont?nuo de metais, i.e. lingotamento em comprimentos indefinidos; / Acessórios para alimenta??o ou tratamento do metal fundido;
    ;
    B22D 45/00
    Equipamento para vazamento n?o inclu?do em outro local;
    ;
    B22D 11/103
    Lingotamento cont?nuo de metais, i.e. lingotamento em comprimentos indefinidos; / Acess?rios para alimenta??o ou tratamento do metal fundido; / Distribuindo o metal fundido, p. ex. usando canais de sangria, flutuadores, distribuidores;
    ;

INIBIDOR DE TURBULÊNCIA PARA DISTRIBUIDORES DE AÇO EM INSTALAÇÕES DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO. A invenção refere-se a uma caixa de amortecimento (4) adaptada no interior de um distribuidor (2) de lingotamento contínuo, de modo a minimizar o fenômeno da turbulência, prejudicial à qualidade do aço, que ocorre durante o vazamento do metal líquido (7) da panela de alimentação (1). A caixa de amortecimento (4) apresenta uma configuração interna que envolve um relevo ondulado formado por cristas (8) e vales (9) em sua base e paredes laterais. Mantida esta configuração interna básica, a caixa de amortecimento (4) pode ser retangular, circular, hexagonal, octogonal, etc, sem prejuízo à sua eficácia.

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Documento

P 0800035-2

“INIBIDOR DE TURBULÊNCIA PARA DISTRIBUIDORES DE AÇO EM INSTALAÇÕES DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO”

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A presente invenção refere-se a uma peça reffatária que apresenta intemamente base e paredes laterais com relevo apropriado e especialmente desenvolvido para amortecer o jato de metal líquido durante o seu vazamento de uma panela para o distribuidor em instalações de lingotamento contínuo. Basicamente, trata-se de uma caixa de amortecimento a ser adaptada no interior do distribuidor para receber o aço líquido vazado de uma panela, dita caixa de amortecimento apresentando características internas que minimizam o fenômeno da turbulência prejudicial à qualidade do aço processado.

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O processo de lingotamento contínuo é utilizado por cerca de 90% das grandes siderúrgicas do mundo, tendo em vista seu baixo custo operacional, reduzido gasto de energia e alta produtividade. Este processo está representado esquematicamente na figura 1 dos desenhos anexos, onde os itens enumerados significam:

1.    Panela de alimentação;

2.    Distribuidor;

3.    Molde.

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É de conhecimento dos versados na técnica que um fluxo turbulento no distribuidor 2, gerado pela alta velocidade do metal líquido durante o seu vazamento da panela 1, pode provocar o arraste de escória e de fragmentos refratários para o molde 3, prejudicando a limpidez do aço processado.

Também é de conhecimento a formação de “splash” no início de uma seqüência de lingotamento ou na troca da panela 1, quando ocorre a formação de uma zona de grande turbulência próxima ao jato de entrada do aço líquido, podendo causar incorporação de oxigênio e nitrogênio ao aço devido ao seu contato com o ar. Estes fenômenos estão bem descritos por

Oliveira, Leonardo José Silva, em seu trabalho de iniciação científica na UFMG intitulado “Análise do efeito do uso de inibidores de turbulência e da configuração da válvula submersa no escoamento do aço em máquinas de lingotamento contínuo”.

Uma forma encontrada para minimizar estes e outros eventuais problemas causados pela turbulência refere-se à utilização de modificadores de fluxo ou inibidores de turbulência, os quais serão mais ou menos eficientes conforme atendam a alguns preceitos teóricos relativos ao escoamento dos fluidos.

Ainda segundo Oliveira, L.J.S, o comportamento do fluido no distribuidor 2 deve ser analisado com relação a três relevantes parâmetros, que vem a ser o volume morto, o volume da mistura e o volume pistonado.

O volume morto é representado pela porção do fluido que se move tão lentamente que pode ser considerada como estagnada. O volume pistonado é caracterizado pelas regiões de maiores velocidades e o volume de mistura pelas regiões de maiores turbulências.

O volume de mistura deve ser evitado no distribuidor 2, uma vez que ele representa uma porção do fluido que se movimenta de maneira turbulenta, podendo causar o arraste de escória para o interior do distribuidor 2 e, conseqüentemente, contaminando o aço.

Por outro lado, o volume pistonado é benéfico, reduzindo o comprimento de mistura e aumentando o rendimento metálico. Este volume é favorável à flutuação de inclusões desde que possua em sua trajetória o sentido ascendente. Assim, quanto maior o volume pistonado, melhor a performance do distribuidor.

Pelo exposto, pode-se afirmar que um modelo de inibidor de turbulência será tão mais eficiente quanto mais consiga reduzir no distribuidor (2) tanto o volume morto como o volume da mistura, enquanto deve elevar o volume pistonado.

De um modo geral, os inibidores de turbulência se propõe a reduzir a turbulência no escoamento do aço dentro do distribuidor (2), aumentando com isso o tempo de permanência; direcionar o escoamento do aço para a superfície livre, favorecendo a captura das inclusões pela escória; minimizar o “splash” no jato de entrada, reduzindo a turbulência e consequentemente o teor de oxigênio e o “pick up” de nitrogênio; e melhorar a limpidez do aço.

Para atender plenamente aos citados objetivos, a invenção propõe um inibidor de turbulência diferenciado que, conforme experiências realizadas, permitiu elevar significativamente o volume pistonado no escoamento do aço dentro do distribuidor 2, enquanto reduziu consideravelmente o volume morto e o volume da mistura, atestando com isso sua grande eficiência. Outro grande benefício auferido refere-se à sua elevada vida útil comparativamente a uma série de outros modelos de inibidores testados.

Sabe-se que a presença de dispositivos capazes de reduzir o momento ou a quantidade de movimento do aço no interior do distribuidor (2) através da dissipação de energia, fornece um escoamento mais suave com velocidades reduzidas, aumentando assim as chances de flutuação das inclusões.

A mecânica dos fluidos possibilita o estudo dos movimentos

dos fluidos levando em conta sua característica turbulenta. Assim, o perfil de

velocidade pode à    ção das equações

(pu) + V(puu) = V(uVu)- Vp + S de Navier Stokes dt

+ 'V(puk) = V

f 1

+

1

.52

\

Vk

U J

y

+ pv,G - pe


a) dn _ dpk

dt

k2


b"!

onde:


G = 2


dpe

~ãT


fv


+ V(j?ue) = V


raun2


-|2


f^eff


pv,


VL


\    e e2

Ve +CxpvtG--C2p--k k


« -J /


+


du

dy


du

dz


-i2'\


'du    (du dwV (dw 3vN


3y + d;cJ +


dz + dx) +


dy+dz,


rj d d d dx dy dz

u: velocidade nas direções x, y e z; p: densidade;

peff:    viscosidade efetiva, viscosidade turbulenta mais

viscosidade laminar;

5    p: pressão;

S: termo fonte que inclui forças que interagem no fluido, empuxo, solidificação e outras;

Ci, C2, Cpü: constantes;

K: energia cinética turbulenta;

10    e: dissipação da energia cinética turbulenta;

u,v,w: velocidade nas direções x, y, z respectivamente.

Com base nos citados fundamentos, foi desenvolvido a presente invenção que será descrita em detalhes utilizando-se as figuras de 2 a 4 dos desenhos anexos onde:

15    Figura 2 - Desenho esquemático da movimentação do aço

líquido em um distribuidor sem o uso de inibidor de turbulência;

Figura 3 - Desenho esquemático das linhas de fluxo obtidas com o dispositivo da invenção;

Figura 4 - Desenho esquemático da seção do inibidor de

20 turbulência desenvolvido e das linhas de fluxo em seu interior.

Nas figuras relacionadas, os itens enumerados significam:

1    - Panela de alimentação;

2    - Distribuidor;

3    - Molde;

4    - Caixa de amortecimento;

5    — Linhas de fluxo turbulento;

6    — Linhas de fluxo suavizadas;

5    7 - Metal líquido;

8    — Crista;

9    - Vale;

10    — Saída de caixa de amortecimento;

11    - Fluxo de aço líquido vindo da panela;

10    12 - Bocal de alimentação do molde.

A caixa de amortecimento 4, objeto da invenção e mostrada nas figuras 3 e 4, é fabricada em material reffatário, apresentando a forma preferencial retangular e tamanho compatível com o modelo do distribuidor 2 em que será adaptada. Outros formatos geométricos como circulares, 15 hexagonais, octogonais, etc, não fogem ao escopo da invenção, desde que a caixa de amortecimento 4 mantenha sua configuração básica interna. Esta configuração refere-se a um relevo ondulado formado por cristas 8 e vales 9 na base e nas paredes laterais da caixa 4. As ondulações podem constar de toda a extensão e altura das paredes laterais, ou apenas em parte destas. 20 Podem ainda apresentar amplitudes diversas em função das condições de processo ou outras variáveis.

De acordo com as figuras relacionadas, o metal líquido 7 proveniente da panela 1 é vazado superiormente na caixa de amortecimento 4 que se encontra devidamente adaptada no interior do distribuidor 2. A referida 25 caixa de amortecimento 4 absorve parte da energia responsável pelo impacto provocado pelo jato do metal líquido 7 oriundo da panela 1, sendo as linhas de fluxo direcionadas pelas superfícies preparada com cristas 8 e vales 9. Tem-se assim a movimentação do metal líquido 7 dentro da caixa 4 e seu posterior direcionamento para a superfície do distribuidor 2.

REIVINDICAÇÕES

1.    Inibidor de turbulência para distribuidores de aço em instalações de lingotamento contínuo, destinado a minimizar o arraste de escória e fragmentos refratários para o molde (3) durante o vazamento do metal líquido (7) da panela de alimentação (1) para o distribuidor (2), o que seria prejudicial à limpidez do aço processado, além de também minimizar a formação de “splash” durante o início de uma seqüência de lingotamento ou troca de panela (1), o que podería causar a contaminação do aço com oxigênio e nitrogênio devido ao seu contato com o ar, caracterizado pelo fato de que compreende uma caixa de amortecimento (4) fabricada em material refratário e que pode apresentar formas geométricas variadas sem perda da eficácia desde que mantida sua configuração interna básica, dita configuração envolvendo um relevo ondulado formado por cristas (8) e vales (9) em sua base e nas paredes laterais, sendo que nestas paredes laterais as ondulações podem constar de toda sua extensão e altura ou apenas em partes destas, referidas ondas ainda apresentando amplitudes diversas em função das condições de processo ou outras variáveis.

2.    Inibidor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a forma geométrica da caixa de amortecimento (4) é retangular, circular, hexagonal, octogonal ou outra.

v:


Figura 4


RESUMO

“INIBIDOR DE TURBULÊNCIA PARA DISTRIBUIDORES DE AÇO EM INSTALAÇÕES DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO”.

A invenção refere-se a uma caixa de amortecimento (4) adaptada no interior de um distribuidor (2) de lingotamento contínuo, de modo a minimizar o fenômeno da turbulência, prejudicial à qualidade do aço, que ocorre durante o vazamento do metal líquido (7) da panela de alimentação (1). A caixa de amortecimento (4) apresenta uma configuração interna que envolve um relevo ondulado formado por cristas (8) e vales (9) em sua base e paredes laterais. Mantida esta configuração interna básica, a caixa de amortecimento (4) pode ser retangular, circular, hexagonal, octogonal, etc, sem prejuízo à sua eficácia.